海王星和天王星內部可能存在鑽石雨
2020年07月06日10:54

  新浪科技訊 北京時間7月3日消息,據國外媒體報導,在海王星和天王星的太空深處,可能正在下著鑽石雨。目前,科學家已經提出最新實驗證據,證實鑽石雨是如何實現的。

  有一種假說認為,海王星和天王星表面之下數千公里處的高溫和高壓環境會使碳氫化合物分裂,碳將壓縮為鑽石,並向行星內核更深處下沉。

  最新實驗使用美國斯坦福國家加速器實驗室的直線加速器相干光源(LCLS)X射線激光,對這種“鑽石雨”過程如何發生進行精確測量,併發現碳會直接轉變成水晶鑽石。

  等離子體物理學家邁克·鄧恩解釋稱,這項研究提供了關於一種非常難以模擬計算的數據:兩種元素“溶混性”或者它們在混合時如何結合,我們觀察到了兩種成分是如何分離的,就像沙拉醬再次分離為油和醋一樣。

  海王星和天王星是太陽系中最不為人知的行星,它們的距離非常遙遠,令人望而卻步,迄今只有太空探測器“旅行者2號”曾接近它們,而且僅是短暫時間飛越,不是執行長期任務。

  事實上,類似海王星和天王星這樣的冰巨星在銀河系中非常普遍,依據美國宇航局觀測數據,銀河系內此類冰巨星比類木星多10倍。

  因此,理解太陽系的冰巨星對於分析行星在星系中如何進化演變至關重要,為了更好地理解它們,我們需要知道在寧靜的藍色外殼之下究竟發生了什麼。

  我們知道海王星和天王星的大氣主要是由氫和氦組成,還有少量甲烷,在這些大氣層之下,一種由水、甲烷和氨等“冰物質”構成的超熱、超密度流體包裹在行星內核周圍。

  幾十年前的計算實驗表明,在足夠的壓力溫度條件下,甲烷可以分解成鑽石,這表明在這種高溫、緻密物質中可以形成鑽石。

  之前德國物理學家多米尼克·克勞斯在美國斯坦福直線加速器中心進行實驗,使用X射線衍射證實該實驗結論。目前,克勞斯和同事將他們的研究向前推進了一步。

  克勞斯說:“我們現在擁有一個基於X射線衍射的非常有前景的新方法,我們的實驗提供了重要模型參數,在此之前的實驗中存在諸多不確定性,隨著近年我們發現的系外行星越來越多,這一點就變得不重要了。”

  在實驗室複製巨行星內部結構是一項挑戰,研究人員需要一些精密設備,例如:直線加速器相干光源,同時,還需要一種物質來複製巨行星內部,為此,研究小組使用碳氫聚苯乙烯(C8H8)代替甲烷(CH4)。

  實驗第一步是對材料進行加熱加壓,從而複製海王星地下1萬公里處的內部環境:光學激光脈衝在碳氫聚苯乙烯中產生衝擊波,使材料加熱至大約4727攝氏度,從而形成強大壓力。

  克勞斯說:“我們在實驗室製造了15萬兆帕的壓力,這相當於將250頭非洲大象的重量放置在拇指甲上產生的壓力。”

  在之前的實驗中,我們使用X射線衍射來探測材料,這對晶體結構的材料非常有效,但對非晶體分子就不那麼有效,所以形成的圖像並不完整。目前,在最新實驗中,研究小組使用了另一種方法,能夠測量X射線是如何散射聚苯乙烯中的電子。

  這不僅能讓他們觀察到碳轉化為鑽石的過程,還能觀察到樣本的其他部分發生了什麼——它分裂成氫,幾乎沒有賸餘的碳。

  克勞斯說:“目前在冰巨星的實例中,我們知道碳在分離時幾乎完全形成了鑽石,而且沒有流體過渡的形式。”

  這是非常重要的,因為海王星存在一些非常奇特的現象,它的內部溫度遠高於應有溫度,事實上它釋放的能量是吸收太陽能量的2.6倍。

  如果是鑽石,它將比周圍的物質密度更大,這些鑽石以微粒形式像雨點一樣降落至行星內部,它們可能釋放重力能量,將其轉化為鑽石和周邊物質摩擦產生的熱量。

  這項實驗表明,我們不需要另一種解釋,至少現在還不需要,同時,該研究證實一種可以“探測”太陽系其他行星內部結構的方法。

  克勞斯說:“這項技術幫助我們完成有趣的實驗過程,否則我們很難發現巨行星的內部結構機製。例如:我們能夠洞察木星、土星這樣氣態巨行星內部的氫和氦,它們如何在極端條件下混合和分離。這是研究行星和行星系進化史的一種新方法,同時也為未來研究聚變產生能量提供實驗依據。”目前,這項最新研究報告發表在近期出版的《自然通訊》雜誌上。(葉傾城)

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